Халатов, Артем АртемовичЧиркова, Анна Петрівна2024-06-182024-06-182024Чиркова, А. П. Особливості зовнішньої аеродинаміки і теплообміну димових труб у міській інфраструктурі та на майданчику ТЕС : дис. … д-ра філософії : 105 Прикладна фізика та наноматеріали / Чиркова Анна Петрівна. – Київ, 2024. – 128 с.https://ela.kpi.ua/handle/123456789/67218Чиркова А.П. Особливості зовнішньої аеродинаміки і теплообміну димових труб у міській інфраструктурі та на майданчику ТЕС. – Кваліфікаційна наукова робота на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 105 Прикладна фізика та наноматеріали. Найменування вищого навчального закладу, в якому провадилася підготовка: НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ «КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО». Дисертаційна робота присвячена вивченню аеродинаміки та теплообміну димових труб ТЕС, розташованих у нескінченному просторі, у міській інфраструктурі та на промисловому майданчику ТЕС. В роботі отримані нові наукові результати, що характеризують фізичні особливості розподілу швидкості, температури, статичного тиску та коефіцієнта тепловіддачі на поверхні конічної труби за різних граничних умов. Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаної літератури до кожного розділу, додатку. Загальний обсяг дисертації становить 128 сторінок, включаючи 45 рисунків та 6 таблиць, загальна кількість використаних джерель становить 77 посилань. У вступі розглянуто основні проблеми енергетики України, повязані з експлуатацією димових труб ТЕЦ. Обґрунтовується актуальність теми дисертації, ставляться завдання для її досягнення. Обґрунтовано метод дослідження. Розглянуті нові наукові результати та їх практичне значення, зв'язок дисертації з програмою фундаментальних робіт НАН України, особистий внесок автора та апробація результатів дослідження. У першому розділі представлено короткий огляд сучасного стану проблеми експлуатації димових труб ТЕС. Розглянуто основні конструкції димових труб, проаналізовано основні проблеми їх експлуатації, пов'язані з випаданням хімічно агресивного конденсату, що призводить до деградації внутрішньої поверхні димових труб та порушення екологічно безпечних умов їх експлуатації. Детально розглянуто особливості аеродинаміки та теплообміну при поперечному обтіканні круглого нескінченного циліндра для докритичного, надкритичного та трансзвукового режимів обтікання. Проаналізовано вплив зовнішньої турбулентності та шорсткості поверхні на теплообмін і аеродинаміку при поперечному обтіканні труби. Наводиться рівняння для профілю швидкості набігаючого вітру для трьох типів інфраструктури навколишнього простору. Розглянуто особливості обтікання димової труби та окремих будівель на майданчиках АЕС та ТЕС за різного напрямку вітру. Сформульовано мету роботи, обґрунтовано основні завдання для дослідження, зроблено вибір методу дослідження. У другому розділі розглянуто методичні аспекти комп'ютерного моделювання аеродинаміки та теплообміну при зовнішньому обтіканні одиночної конічної труби, яка розташована на земній поверхні. Наводиться математичний опис проблеми, розглянуто геометричні моделі, які досліджені у роботі, аналізуються особливості завдання граничних умов. Розглянуті методи чисельного розв'язання системи диференціальних рівнянь руху та енергії, способи дискретизації рівнянь та методи розв'язання системи алгебраїчних рівнянь. На прикладі теплообміну при докритичному режимі обтікання круглого циліндра виконано верифікацію сіткової моделі та обґрунтовано модель турбулентності, що застосовується в роботі. У третьому розділі виконано комп'ютерне моделювання аеродинаміки та теплообміну на поверхні одиночної конічної димової труби, розташованої у нескінченному просторі, а також у міській інфраструктурі. Запропоновано геометричну та комп'ютерну моделі димової труби, розглянуто методичні аспекти чиселного моделювання та представлено програму досліджень. У розрахунках на поверхні труби задавалися граничні умови І роду, використана RNG k-e модель турбулентності. Максимальні значення тепловіддачі досягаються в середній частині труби, біля земної поверхні та у гирлі труби. Виявлено, що конусність труби практично не впливає на середню по всій висоті труби. Форма профілю швидкості вітру перед димовою трубою, яка визначається типом інфраструктури навколишнього простору, має значний вплив на розподіл локальної тепловіддачі по висоті труби. Зі зростанням середньої швидкості набігаючого потоку вітру середня по всій висоті труби тепловіддача зростає приблизно за лінійним законом. У четвертому розділі розглянуті аеродинаміка та теплообмін біля одиночної конічної димової труби, розташованої в умовах промислового майданчика ТЕС. Для виконання досліджень розроблено спрощену геометричну та комп'ютерну моделі майданчика ТЕС, які враховують основні елементи її інфраструктури. На поверхні труби задавалися граничні умови І роду, а в розрахунках використана RNG k-e модель турбулентності. На межах майданчика ставився профіль швидкості, який відповідає умовам міської забудови. Програма досліджень включає різний напрямок вітру та різні сезонні температурні умови, що притаманні для умов України. Показано, що інфраструктура майданчика ТЕС істотно впливає на умови обтікання димової труби та тепловіддачу. Показано, що періодична зміна швидкості, температури, тиску та теплообміну в кормовій частині труби має місце тільки вище даху машинного залу. Використання у розрахунках рівномірного профілю швидкості перед трубою може призводити до значних помилок у розрахунках локальной тепловіддачі. У приземній зоні труби та в області машинного залу тепловіддача може бути заниженою і завищеною порівняно з результатами розрахунку для рівномірного профілю швидкості, а вище даху машинного залу це рівняння показує завищені результати. Виконано порівняльний аналіз розподілу локальної тепловіддачі по висоті труби при різному напрямку вітру. В дисертаційній роботі отримано наступні наукові результати: Вперше: 1. Виявлено періодичний характер зміни швидкості, тиску, температури та коефіцієнта тепловіддачі в кормовій частині конічної димовоїтруби при її поперечному обтіканні для різних граничних умов. 2. Показано, що для труби у нескінченному просторі з рівномірним профілем швидкості вітру на вході конусність труби не впливає на середню по висоті труби тепловіддачу. Зі зростанням швидкості набігаючого потоку середній коефіцієнт тепловіддачі зростає практично лінійно – як при рівномірній, так і при змінній по висоті трубі швидкості потоку. 3. Показано, що інфраструктура міського простору та промислового майданчика ТЕС має істотний вплив на локальну тепловіддачу димової труби ТЕС, що зумовлено впливом шару біля земної поверхні на граничні умови, відривними та тривимірними течіями. 4. Виконано дослідження та отримано нові результати, що характеризують аеродинаміку та теплообмін біля зовнішньої поверхні димової труби за умов сумісного впливу інфраструктури міського простору та промислового майданчика ТЕС. Удосконалено: 5. Методичні рекомендації щодо комп'ютерного моделювання аеродинаміки та локального теплообміну на зовнішній поверхні одиночної конічної труби при її поперечному обтіканні в умовах міського простору та промислового майданчика ТЕС. 6. Методика розрахунку локального теплообміну на зовнішній поверхні конічної димової труби при сумісному впливі швидкості, температури та направлення потоку вітру з урахуванням інфраструктури міського простору та промислового майданчика ТЕС. Набуло подальшого розвитку: 7. Більш глибоке розуміння фізичного механізму процесів аеродинаміки та локального теплообміну при поперечному обтіканні одиночної конічної димової труби, розташованій в міській інфраструктурі та на майданчику ТЕС. 8. Розуміння, що умови експлуатації димової труби ТЕС (розташування, напрям вітру, інфраструктура навколишнього простору та промислового майданчика ТЕС) мають суттєвий вплив на аеродинаміку димової труби та повинні враховуватися при розрахунку зовнішнього теплообміну. Практичне значення результатів, представлених у дисертації: 1. Отримані в роботі результати формулюють більш точні та обґрунтовані рекомендації в частині графіка режиму роботи нових димових труб, а також димових труб, що знаходяться в експлуатації ТЕС, вони також можуть використовуватися для оцінки залишкового ресурсу димової труби з урахуванням деградації її внутрішнього стану у процесі експлуатації. Оримані результати використані у науковій роботі «Розроблення методів і засобів підвищення експлуатаційної надійності та екологічної ефективності димових труб теплоенергетичних установок» (договір № 1-102/02, тема № 1.7.1.890) в рамках Цільової програми наукових досліджень Відділення фізико-технічних проблем енергетики НАН України, реєстраційний № 0120U101123. 2. Отримані результати можуть бути використані для вдосконалення математичних моделей під час комп'ютерного моделювання зовнішньої аеродинаміки та теплообміну при поперечному обтіканні конічної димової труби за складних граничних умов.128 с.ukаеродинамікатеплообміндимова трубачислове моделюванняміська інфраструктуратеплова електростанціяТЕСгриничні умовизовнішне обтіканняконденсатAnsysFluentмодель турбулентностіматематичне моделюваннячисла Рейнольдсагідродинаміка3D модельшвидкістькоефіцієнт тепловіддачіпоперечне обтіканняламінарний потіктурбулентністьрівняння Нав’є-Стоксаполе швидкостівихрова структурациліндрконусністьдискретизаціядиференціальні рівняннясіткова модельпристінковий шарверифікаціяпрофіль швидкостінапрямок вітруaerodynamics and heat transferchimneynumerical modelingcity infrastructurethermal power plantTPPboundary conditionsouter flowcondensateturbulence modelmathematical modelingReynolds numbershydrodynamics3D modelvelocityheat transfer coefficienttransverse flowlaminar flowturbulencethe Navier-Stokes equationvelocity fieldvortex structurecylinderobliquenessdiscretizationdifferential equationsgrid modelwall layerverificationspeed profilewind directionThesis Doctoral004.94:[621.184.5+533.6+536]